CN109669246A - 一种阵列光纤光镊拉制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种阵列光纤光镊拉制方法，将各光纤一端去除涂敷层，裸光纤成束穿入石英管；石英管固定于拉锥夹具上，控制拉锥夹具外移速度和火焰移动速度进行试拉，检测所得的阵列光纤光镊的插入损耗，调节火焰喷管高度精确控制石英管受热温度，使插入损耗符合要求。确定的火焰喷管高度、火焰移动速度后，控制拉锥夹具外移速度由慢至快变速拉锥，得到锥角为30°～45°的阵列光纤光镊。本发明方法石英管完美约束光纤束，阵列光纤光镊的光纤紧密排列，相对于中心线对称，且效率显著提高；用火焰喷管高度调节石英管受热温度，温度调节精度小于0.5℃，多次变速的快速拉锥，保证阵列光纤光镊插入损耗指标合格，缩短试拉时间。

Description

一种阵列光纤光镊拉制方法

技术领域

本发明涉及一种阵列光纤光镊制作技术领域，具体涉及一种阵列光纤光镊拉制方法。

背景技术

1969年，美国贝尔实验室的Ashkin等人首次实现了激光驱动微米粒子，并发现当微粒的折射率大于周围介质的折射率时，微粒会在横向被吸入光束，并采用相向传播的两束激光实现了双光束光阱。1970年，Ashkin等首先提出利用光压操纵微小粒子的概念，利用多光束激光的二维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小玻璃珠，后来这种激光夹持微粒的技术经过不断改进，所能捕获的粒子尺寸越来越小。1986年，Ashkin等人采用大数值孔径显微物镜会聚单束激光，在水溶液样品池中实现了对介电微球的三维光学捕获。这标志着“单束光梯度力阱”的诞生，被称为“光镊”。

由于传统光镊具有体积大、工作距离短，不易实现多光镊操作等缺点，使其更广泛的应用受到限制。

光纤光镊克服了传统光镊的缺点，并以其结构简单、价格便宜、传输光路柔性强及捕获范围大等优点，越来越受到人们的广泛重视。光纤光镊系统是利用经处理的光纤端面出射的激光束来实现对粒子的微操纵。与基于显微镜的光镊系统相比，光纤形成的光阱操纵灵活，被捕获的生物样品可以自由移动。微操纵系统简单适用，光纤可以深入到样品池中形成光阱，大大提高了光阱捕陷范围，捕陷光学系统从观察光学系统中分离出来，使得在系统中添加激光束计量和光谱仪等测量设备有了较大的自由度。光纤光镊的激光输入端与带尾纤的半导体二极管激光器进行光纤活动连接，无需外部光学系统，结构特别简单。另外，半导体二极管激光器可以快速开关和调制，也满足了激光多种微操纵实验研究的需要。

目前已出现的单光纤光镊，只能对一个微粒进行操控，在生物及医学研究中，许多情况下需要同时对多个细胞微粒进行操控。为满足生物实验的需求，出现了阵列光纤光镊，可同时对多个微粒进行三维操控。

采用传统的胶粘或金属丝捆绑得到的阵列光纤光镊，会有光纤排列不紧密，局部弯曲，且光纤之间锥角不一致等缺点，影响光镊的使用。目前面临的问题是需要得到一种保证光纤阵列合理紧密排列，精确控制阵列光纤光镊中光纤的锥角的拉锥方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种阵列光纤光镊拉制方法，精确控制拉锥火焰温度，并通过变速多次拉锥，得到光纤排列紧密且各光纤的纤芯与阵列光纤光镊中心线的交角一致的阵列光纤光镊。

本发明提供的一种阵列光纤光镊拉制方法，包括如下主要步骤：

Ⅰ、光纤涂敷层去除

取阵列数量的多根相同规格的光纤，将各光纤一端去除光纤涂敷层成为裸光纤，清洁干燥待用；裸光纤段的长度为60～65mm。

去除光纤涂敷层的最佳方法为化学腐蚀。

Ⅱ、石英管套纤

将步骤Ⅰ处理后的光纤按阵列光纤数量成束整体穿入石英管中，裸光纤头伸出石英管外，伸出部分的长度为10～15mm。

所述石英管为纯石英管，其内径等于阵列光纤数量的去除涂敷层的裸光纤束的外径，长度为40～50mm，管壁厚度为0.5～0.8mm。

为准备试拉，本步骤制备5～20个相同的光纤束并穿入石英管。

Ⅲ、试拉和拉锥火焰温度精确控制

所用拉制设备的工作平台上有一对拉锥夹具移动平台和一个火焰移动平台，分别由步进电机带动在导轨上移动，控制系统连接控制各步进电机，控制各移动平台的移动速度和距离。

二拉锥夹具移动平台上有五维手动微调架，以调节使二拉锥夹具处于同一水平直线上。

火焰移动平台上有调节火焰喷管高度的微调架，控制火焰与拉锥夹具固定的石英管的距离，以精确控制石英管所接受的火焰温度。

将已穿入光纤阵列的石英管的两端分别放入相对的拉锥夹具中固定，根据待制备的阵列光纤光镊所设计的拉锥比和锥区长度设置拉锥夹具移动平台的外移速度、火焰移动平台的移动速度，对被2个拉锥夹具夹持的石英管加热，石英管加热长度为20mm～30mm，预热30s～120s，开始进行拉锥，拉锥夹具移动平台向左右外侧移动，石英管和裸光纤束被拉制融合为一体，成为有一定锥角的阵列光纤光镊。

拉锥过程中，保持火焰的燃料气体流量恒定，实验环境无气流波动；石英管处于火焰中。

检测试拉所得的阵列光纤光镊的插入损耗指标，若不满足要求，调节火焰喷管高度改变石英管受热温度，以降低拉锥所得阵列光纤光镊的插入损耗。

Ⅳ、阵列光纤光镊拉制

根据步骤Ⅲ试拉后确定的火焰喷管高度、火焰移动平台的移动速度，控制拉锥夹具移动平台的外移速度由慢至快进行变速拉锥，最终得到的阵列光纤光镊锥体结构的锥角为30°～45°。

所述由慢至快的变速拉锥，拉锥夹具移动平台的外移速度至少有3次变速，拉锥速度依次为250～290μm/s，350～390μm/s和600～640μm/s。三种速度拉锥的时间分别为18～22s,16～20s和8～12s。

所述拉锥夹具的V形槽内加表面粗糙的铜片，以增加夹具与石英管之间的摩擦力，以保证快速拉锥的成功。

与现有技术相比，本发明一种阵列光纤光镊的拉制方法的优点为：1、石英管完美地约束光纤束，拉锥后得到阵列光纤光镊的光纤紧密排列，各光纤的锥角一致，相对于阵列光纤光镊中心线对称，且无需用大量时间精力排列光纤，效率显著提高；2、用改变火焰喷管高度来改变火焰与石英管的距离，实现石英管受热温度的渐进式精确控制，避免了温度的大波动，试验表明，本方法用火焰喷管高度调节石英管受热温度，可实现温度调节精度小于0.5℃，从而保证拉锥得到插入损耗指标合格的阵列光纤光镊，且大大缩短试拉的调节时间；3、机械剥离法刃具易损伤光纤，烧蚀法降低了烧蚀部分的光纤强度，本方法的酸洗去除光纤涂覆层较优，效率高，剥离完全，且对光纤无损伤；4、多次变速的快速拉锥，可得到锥角为30°～45°的阵列光纤光镊。

附图说明

图1为本阵列光纤光镊拉制方法实施例步骤Ⅱ石英管套纤后的示意图；

图2为本阵列光纤光镊拉制方法实施例Ⅳ拉锥后尚未切割时的双锥角石英管的示意图；

图3为本阵列光纤光镊拉制方法实施例所得的4芯2×2阵列光纤光镊的横剖面示意图；

图4为本阵列光纤光镊拉制方法实施例所得的4芯2×2阵列光纤光镊的纵剖面示意图。

图中标号为：

1、尾纤，2、石英管，3、去除涂覆层的裸光纤。

具体实施方式

本阵列光纤光镊拉制方法实施例为拉制4芯2×2阵列光纤光镊。

一种阵列光纤光镊拉制方法，包括如下主要步骤：

Ⅰ、光纤涂敷层去除

取多根相同规格的光纤，将各光纤一端长度65mm浸泡于浓硫酸中，20～30分钟取出已被腐蚀掉涂敷层的光纤。使用乙醇与丙酮溶液对无涂敷层的裸光纤充分擦拭，并在显微镜下观察裸纤部分以确定处理过程没有造成伤痕，干燥后待用。

化学溶剂腐蚀剥离光纤涂敷层的方法，优于机械剥离和火焰烧蚀剥离。机械剥离虽然易操作且容易实现，但刃具极易对裸光纤表面造成微小的损伤，影响器件性能。火焰烧蚀剥离虽然处理简单快速，但使光纤烧蚀部分强度降低，也会带来局部污染。化学溶剂剥离涂敷层能够有效地避免机械损伤，大批量制备的效率较高。

Ⅱ、石英管套纤

本例石英管2为纯石英管，一端为喇叭口，其主体内径等于4根去除涂敷层的裸光纤束的外径，主体长度为40～50mm，管壁厚度为0.6mm。喇叭口的内径大于带涂覆层的光纤束的外径。

将步骤Ⅰ处理后的4根光纤成束整体穿入石英管中，裸光纤头伸出石英管外，伸出部分的长度为10～15mm。带涂敷层的尾纤1束部分进入喇叭口。如图1所示。

本例同时制备穿入光纤阵列的石英管10个。

Ⅲ、试拉和拉锥火焰温度精确控制

本例所用拉制设备的工作平台上有一对拉锥夹具移动平台和一个火焰移动平台，分别由步进电机带动在导轨上移动，控制系统连接控制各步进电机，控制各移动平台的移动速度和距离。

二拉锥夹具移动平台上有五维手动微调架，以调节使二拉锥夹具处于同一水平直线上。

火焰移动平台上有调节火焰喷管高度的微调架，控制火焰与拉锥夹具固定的石英管的距离，以精确控制石英管所接受的火焰温度。

将已穿入光纤阵列的石英管的两端分别放入相对的拉锥夹具中固定，根据待制备的阵列光纤光镊所设计的拉锥比和锥区长度设置拉锥夹具移动平台的外移速度、火焰移动平台的移动速度，进行拉锥，对被2个拉锥夹具夹持的石英管加热，石英管加热长度为25mm～30mm，预热50s至60s，拉锥夹具移动平台向左右外侧移动，石英管和光纤束被拉制成为融合一体，成为有一定锥角的阵列光纤光镊。

本例拉锥夹具的V形槽内加表面粗糙的铜片，以增加夹具与石英管之间的摩擦力，以保证快速拉锥的成功。

拉锥过程中，保持火焰的燃料气体流量恒定，实验环境无气流波动；石英管处于火焰中。

检测试拉所得的阵列光纤光镊的插入损耗指标，若不满足要求，调节火焰喷管高度改变石英管受热温度，以降低拉锥所得阵列光纤光镊的插入损耗。

本例经3次调节火焰喷管的高度确定最佳火焰喷管高度和火焰移动平台的移动速度。

Ⅳ、阵列光纤光镊拉制

根据步骤Ⅲ试拉后确定的火焰喷管高度、火焰移动平台的移动速度，控制拉锥夹具移动平台的外移速度由慢至快进行3次变速拉锥，拉锥速度依次为270μm/s，370μm/s和620μm/s，三种速度拉锥的时间分别为20s,18s和10s。

石英管主体加热区被拉锥成为两个相对的锥角，如图2所示。切割后最终得到的阵列光纤光镊锥体结构的锥角为35°，锥角顶端直径小于100μm。

本实施例所得4芯2×2阵列光纤光镊的横剖面如图3所示，4芯光纤为正方形紧密排列。

本实施例所得4芯2×2阵列光纤光镊的纵剖面如图4所示，所得光纤光镊为锥形结构，锥角为35°，且各光纤相对于光纤光镊中心线为对称，锥角相同。本图4为表示石英管与其内的4根阵列光纤，石英管和光纤之间、光纤相互之间都有间隙，实际上均相互挤紧，间隙极小，在锥形结构的前端石英管和各光纤融为一体，相互无间隙。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种阵列光纤光镊拉制方法，包括如下主要步骤：

Ⅰ、光纤涂敷层去除

取阵列数量的多根相同规格的光纤，将各光纤一端去除光纤涂敷层成为裸光纤，清洁干燥待用；

Ⅱ、石英管套纤

将步骤Ⅰ处理后的光纤按阵列光纤数量成束整体穿入石英管(2)，裸光纤(3)头伸出石英管(2)外；

所述石英管(2)为纯石英管，其内径等于阵列光纤数量的去除涂敷层的裸光纤(3)束的外径；

Ⅲ、试拉和拉锥火焰温度精确控制

所用拉制设备的工作平台上有一对拉锥夹具移动平台和一个火焰移动平台，分别由步进电机带动在导轨上移动，控制系统连接控制各步进电机，控制各移动平台的移动速度和距离；

二拉锥夹具移动平台上有五维手动微调架，调节使二拉锥夹具处于同一水平直线上；

火焰移动平台上有调节火焰喷管高度的微调架，控制火焰与拉锥夹具固定的石英管(2)的距离；

将已穿入光纤阵列的石英管(2)的两端分别放入相对的拉锥夹具中固定，根据待制备的阵列光纤光镊所设计的拉锥比和锥区长度设置拉锥夹具移动平台的外移速度、火焰移动平台的移动速度，对被2个拉锥夹具夹持的石英管(2)加热，石英管加热长度为20mm～30mm，预热30s～120s，开始进行拉锥，拉锥夹具移动平台向左右外侧移动，石英管(2)和裸光纤(3)束被拉制融合一体，成为有一定锥角的阵列光纤光镊；

拉锥过程中，保持火焰的燃料气体流量恒定，实验环境无气流波动；石英管处于火焰中；

检测试拉所得的阵列光纤光镊的插入损耗指标，若不满足要求，调节火焰喷管高度改变石英管受热温度，以降低拉锥所得阵列光纤光镊的插入损耗；

Ⅳ、阵列光纤光镊拉制

根据步骤Ⅲ试拉后确定的火焰喷管高度、火焰移动平台的移动速度，控制拉锥夹具移动平台的外移速度由慢至快进行变速拉锥，最终得到的阵列光纤光镊锥体结构的锥角为30°～45°。

2.根据权利要求1所述的阵列光纤光镊拉制方法，其特征在于：

所述步骤Ⅰ去除光纤涂敷层的方法为化学腐蚀。

3.根据权利要求1或2所述的阵列光纤光镊拉制方法，其特征在于：

所述步骤Ⅳ阵列光纤光镊变速拉锥，拉锥夹具移动平台的外移速度至少有3次变速，拉锥速度依次为250～290μm/s，350～390μm/s和600～640μm/s，三种速度拉锥的时间分别为20s,18s和10s。

4.根据权利要求1或2所述的阵列光纤光镊拉制方法，其特征在于：

所述步骤Ⅰ中去除涂敷层的裸光纤(3)段长度为60～65mm。

5.根据权利要求1或2所述的阵列光纤光镊拉制方法，其特征在于：

所述步骤Ⅱ穿入石英管(2)后裸光纤(3)头伸出石英管(2)外部分的长度为10～15mm。

6.根据权利要求4所述的阵列光纤光镊拉制方法，其特征在于：

所述步骤Ⅱ所用石英管(2)长度为40～50mm，管壁厚度为0.5～0.8mm。

7.根据权利要求1或2所述的阵列光纤光镊拉制方法，其特征在于：

所述步骤Ⅱ制备5～20个相同的穿入光纤阵列的石英管。

8.根据权利要求1或2所述的阵列光纤光镊拉制方法，其特征在于：

所述拉锥夹具的V形槽内加表面粗糙的铜片。

9.根据权利要求1或2所述的阵列光纤光镊拉制方法，其特征在于：

所述石英管(2)的一端为喇叭口，喇叭口的内径大于带涂覆层的光纤束的外径。